KR101673825B1 - 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템 - Google Patents

스위치 모듈의 과전류 검출 시스템 Download PDF

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Abstract

복수개의 IGBT 스위치가 마련된 스위치 모듈;
스위치 모듈 내에 마련되어 스위치 모듈의 온도를 도출하는 온도도출부;
스위치 모듈과 연결되어 스위치 모듈에 과전류가 발생하였는지 여부를 판단하는 과전류검출부; 및
일측은 온도도출부에 연결되고 타측은 과전류검출부에 연결되어 스위치 모듈 온도에 따라 과전류검출부의 과전류 검출기준을 보정하는 과전류기준보정부;를 포함하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템이 소개된다.

Description

스위치 모듈의 과전류 검출 시스템{OVER CURRENT DETECTING SYSTEM OF SWITCH MODULE}
본 발명은 스위치 모듈의 과전류를 감지할 수 있는 시스템에 있어서 온도 변화에 따른 과전류 검출기준의 변화를 예측하여 보상함으로써 과전류 검출 시스템의 정확성을 향상 시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
친환경 자동차에 있어서 전력변환장치인 인버터는 스위치 반도체 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 6개의 온/오프 패턴에 따른 제어로 DC인 고전압 배터리 전류를 3상 AC전류로 바꾸어지는 기능을 한다. IGBT는 단방향 소자로서 온/오프 스위칭을 통해 각 상 전류를 콜렉터에서 에미터로 도통시킨다.
IGBT는 일반적으로 오프시 콜렉터와 에미터간 IGBT가 견딜 수 있는 전압의 한계가 있고, 이는 고온으로 갈수록 증가하며, 스위칭 스피드를 높일수록 온/오프시 스위칭 손실을 줄일 수 있게 된다. 또한 IGBT의 게이트 온/오프 저항을 줄일수록 스위칭 스피드는 증가하지만, 스위칭시 콜렉터와 에미터간 전압피크는 증가하게 된다. 그러므로 게이트 온/오프 저항의 크기는 IGBT가 견딜 수 있는 내압과 스위칭 손실을 적절히 고려하여 결정할 필요가 있다.
또한 이러한 스위치 모듈에는 과전류가 발생하는 경우, 스위치 모듈을 구성하고 있는 소자들이 과전류로 인한 열에 의하여 파손될 수 있다. 따라서 이러한 상황을 방지하기 위해 일반적으로 과전류 보호회로를 구성하고 있는데 이러한 목적에서 공개특허공보 1999-0039575 "과전류 보호회로"도 변압기와 변압기의 2차측에 흐르는 전류를 감지하여 전류 감지 저항을 구비하는 스위치 모드 파워 서플라이의 출력단에 입력단이 연결된 과전류 보호회로를 제공하고 있다.
그러나 이러한 과전류 보호회로도 역시 스위치 모듈과 함께 마련되는바 스위치 모듈의 온도가 상승함에 따라 과전류 보호회로도 영향을 받게 되는데, 이 경우 스위치 모듈의 온도가 낮아질수록 과전류 보호회로의 과전류 검출기준이 목표로 하는 검출기준보다 점점 높아져 스위치 모듈에는 과전류가 발생하고 있음에도 과전류를 검지하지 못하는 문제점이 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1999-0039575 A
본 발명은 스위치모듈의 온도를 도출하는 온도도출부와 도출한 온도를 기반으로 과전류 검출기준을 보정하는 과전류기준보정부를 이용하여 과전류 검출의 정확성을 향상시킬 수 있는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템은 복수개의 IGBT 스위치가 마련된 스위치 모듈; 스위치 모듈 내에 마련되어 스위치 모듈의 온도를 도출하는 온도도출부; 스위치 모듈과 연결되어 스위치 모듈에 과전류가 발생하였는지 여부를 판단하는 과전류검출부; 및 일측은 온도도출부에 연결되고 타측은 과전류검출부에 연결되어 스위치 모듈 온도에 따라 과전류검출부의 과전류 검출기준을 보정하는 과전류기준보정부;를 포함한다.
온도도출부는 정전류원; 정전류원과 연결된 복수개의 다이오드; 및 다이오드의 양단전압을 이용하여 스위치 모듈의 온도를 도출하는 온도제어부;를 포함한다.
온도제어부는, 다이오드 양단전압을 입력으로 하고 스위치 모듈 온도를 출력으로 하는 맵데이터를 이용하여 스위치 모듈 온도를 도출하는 것을 특징으로 한다.
과전류검출부는, 스위치 모듈과 연결되어 스위치 모듈의 에미터 전류를 스케일링하는 스케일부; 스케일부와 연결되어 스케일링된 에미터 전류가 흐를 수 있도록 마련된 저항부; 및 저항부에서 발생하는 저항부 전압을 과전류 검출기준으로 하여 스위치 모듈에 과전류가 발생하였는지 여부를 판단하는 과전류제어부;를 포함한다.
과전류제어부는, 저항부 전압을 기설정된 문턱전압과 비교하여 저항부 전압이 기설정된 문턱전압보다 큰 경우 스위치 모듈에 과전류가 발생하였다고 판단하고, 저항부 전압이 기설정된 문턱전압보다 낮은 경우에는 과전류가 발생하지 않았다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
과전류기준보정부는, 다이오드 양단전압을 베이스전압으로 하고 에미터단에 제1저항이 연결되어 있는 제1트랜지스터; 제1트랜지스터의 에미터단 전압을 베이스전압으로 하고 에미터단에 제2저항이 연결되어 있는 제2트랜지스터; 및 제2트랜지스터 에미터단 전압을 이용하여 과전류 검출기준을 보정하는 보정제어부;를 포함한다.
보정제어부는, 제2트랜지스터 에미터단 전압을 과전류검출부의 저항부 전압에 적용하여 보정전압을 도출해 과전류검출부의 과전류 검출기준을 보정하는 것을 특징으로 한다.
보정전압은 하기의 수식을 이용하여 도출되는 것을 특징으로 한다.
Vcomp = R2*Ve/(R1+R2)+R1*Vr/(R1+R2)
Vcomp: 보정전압, Ve: 제2트랜지스터 에미터단 전압, Vr: 저항부 전압, R1: 제1저항, R2: 제2저항
과전류제어부는, 도출한 보정전압을 기설정된 문턱전압과 비교하여 보정전압이 기설정된 문턱전압보다 큰 경우 스위치 모듈에 과전류가 발생하였다고 판단하고, 보정전압이 기설정된 문턱전압보다 낮은 경우에는 과전류가 발생하지 않았다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 스위치 모듈의 온도 변화에 따라 발생하는 과전류 검출기준의 변화편차를 줄일 수 있게 되어 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템의 정확성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 과전류 검출 시스템의 정확성이 향상됨에 따라 과전류 검출기준을 과도하게 설정할 필요가 없어져 스위치 모듈의 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 온도에 따른 과전류 검출기준 비교 그래프
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 스위치 모듈(100)의 과전류 검출 시스템은 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 복수개의 IGBT 스위치가 마련된 스위치 모듈(100); 스위치 모듈(100) 내에 마련되어 스위치 모듈(100)의 온도를 도출하는 온도도출부(200); 스위치 모듈(100)과 연결되어 스위치 모듈(100)에 과전류가 발생하였는지 여부를 판단하는 과전류검출부(300); 및 일측은 온도도출부(200)에 연결되고 타측은 과전류검출부(300)에 연결되어 스위치 모듈(100) 온도에 따라 과전류검출부(300)의 과전류 검출기준을 보정하는 과전류기준보정부(400);를 포함한다.
스위치 모듈(100)내에는 복수개의 IGBT 스위치가 마련되는데, 차량 등에 흔히 사용되는 3상교류전원을 출력하는 인버터를 이에 적용한다면 기본적으로 6개의 IGBT 스위치가 하나의 스위치 모듈(100) 내에 마련될 것이다.
본 발명은 스위치 모듈(100)의 온도변화에 따라 과전류 검출기준이 변화하는 것을 방지하는 시스템에 관한 것이므로 정확한 스위치 모듈(100)의 온도를 도출하는 것이 무엇보다 중요하다. 따라서 본 발명은 온도도출부(200)를 정전류원(220); 정전류원(220)과 연결된 복수개의 다이오드(240); 및 다이오드의 양단전압을 이용하여 스위치 모듈(100)의 온도를 도출하는 온도제어부(260);로 구성하여 스위치 모듈(100)의 온도를 정확하게 도출할 수 있도록 하고 있다.
다이오드는 그 물적 특성에 의해 주변온도 상승에 따라 다이오드에 의한 전압강하값이 낮아지는 특성이 있다. 따라서 본 발명에서는 이를 이용하여 복수개의 다이오드(240)를 직렬로 연결하고 정전류원(220)을 이용하여 다이오드에 일정한 전류를 흐르게 하여 다이오드에 의한 전압강하를 발생시키도록 하고 있다. 다이오드의 온도와 전압강하에 의하여 발생하는 다이오드 양단전압의 관계는 다이오드의 종류에 따라 상이한 바 다이오드 양단전압을 입력으로 하고 스위치 모듈(100) 온도를 출력으로 하는 맵데이터를 이용하여 스위치 모듈(100) 온도를 도출하는 것이 바람직할 것이다.
이와 같은 방식을 통하여 스위치 모듈(100) 온도를 도출하였다면, 이를 이용하여 과전류검출부(300)의 과전류 검출기준을 보정해야 할 것이다. 본 발명에서는 이를 위한 장치로써 과전류기준보정부(400)를 두고 있는데 이에 대한 자세한 구성 및 동작원리를 살펴보기 전에 보정이전에 과전류검출이 어떤 방식으로 수행되는지를 알아야 할 필요가 있으므로 스위치 모듈(100)의 과전류 발생 여부를 판단하는 과전류검출부(300)에 대해서 먼저 살펴보도록 하겠다.
본 발명에 따른 과전류검출부(300)는 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 스위치 모듈(100)과 연결되어 스위치 모듈(100)의 에미터 전류를 스케일링하는 스케일부(320); 스케일부(320)와 연결되어 스케일링된 에미터 전류가 흐를 수 있도록 마련된 저항부(340); 및 저항부(340)에서 발생하는 저항부(340) 전압을 과전류 검출기준으로 하여 스위치 모듈(100)에 과전류가 발생하였는지 여부를 판단하는 과전류제어부(360);를 포함한다.
스위치 모듈(100)의 에미터에 흐르는 전류의 양이 작은 경우에는 스위치 모듈(100) 에미터 전류를 그대로 이용하여도 무방하나, 고전류가 흐르는 차량의 인버터 같은 경우에는 고전류에 따른 발열등에 대한 문제가 있으므로 이를 적절히 스케일링 할 수 있는 스케일부(320)가 필요하므로 본 발명에서는 이러한 경우에 대비하여 스케일부(320)를 구성하고 있으며, 스케일부(320)에 연결되어 스케일링된 에미터 전류가 흘러 전압을 발생시킬 수 있도록 저항부(340)를 마련하고 있다. 저항부(340)의 저항값은 사용자의 선택에 따라 자유롭게 선택이 가능할 것이나 저항이 지나치게 클 경우에는 저항부(340)에 발생하는 발열 및 에너지 손실이 크므로 과전류를 검출할 수 있을 정도의 크기로 적당하게 설정하는 것이 바람직할 것이다.
과전류제어부(360)는 앞서 언급하였듯이 저항부(340)에 발생하는 저항부(340) 전압을 과전류 검출기준으로 보아 과전류 발생여부를 판단하게 되는데, 구체적으로 저항부(340) 전압을 기설정된 문턱전압과 비교하여 저항부(340) 전압이 기설정된 문턱전압보다 큰 경우 스위치 모듈(100)에 과전류가 발생하였다고 판단하고, 저항부(340) 전압이 기설정된 문턱전압보다 낮은 경우에는 과전류가 발생하지 않았다고 판단하게 된다. 여기서 기설정된 문턱전압이란 과전류가 발생하는 경우의 문턱전압값으로 과전류가 발생할 때의 전류값에서 저항부(340)의 저항값을 곱한값이 될 것이다. 다만 이상적인 경우와 현실의 차이를 고려하여 5%정도의 여유를 두고 문턱전압을 설정하는 것이 바람직할 것이다.
따라서 과전류검출부(300)는 저항부(340) 전압을 과전류 검출기준으로 하여 스위치 모듈(100)에 과전류가 발생하는지 여부를 판단하므로 스위치 모듈(100)의 온도에 따른 과전류 검출기준을 보정하기 위해서는 상기 저항부(340) 전압을 보정하는 것이 바람직할 것이다. 이에 따른 본 발명의 과전류기준보정부(400)는 도1에서 도시한바와 같이 다이오드 양단전압을 베이스전압으로 하고 에미터단에 제1저항(440)이 연결되어 있는 제1트랜지스터(410); 제1트랜지스터(410)의 에미터단 전압을 베이스전압으로 하고 에미터단에 제2저항(450)이 연결되어 있는 제2트랜지스터(420); 및 제2트랜지스터(420) 에미터단 전압을 이용하여 과전류 검출기준을 보정하는 보정제어부(430);를 포함하고 있다. 제1트랜지스터(410)와 제2트랜지스터(420)는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 MOSFET등과 같이 다양한 형태의 스위치 소자를 이용하여 구현될 수 있으나 본 발명에서 그 일례로써 제1트랜지스터(410)는 PNP BJT로 제2트랜지스터(420)는 NPN BJT로 구성된 것을 제시하고 있다.
도1의 구성을 보면 알 수 있듯이 과전류기준보정부(400)의 보정제어부(430)는 제2트랜지스터(420) 에미터단 전압을 과전류검출부(300)의 과전류제어부(360)에 전달되어 이를 저항부(340) 전압에 적용하여 보정전압을 도출해 과전류검출부(300)의 과전류 검출기준을 보정하도록 하고 있다. 제1트랜지스터(410), 제2트랜지스터(420), 제1저항(440)과 제2저항(450)의 회로관계를 고려하여 보정전압을 결정하는 구체적인 수식은 하기와 같이 결정될 것이다.
Vcomp = R2*Ve/(R1+R2)+R1*Vr/(R1+R2)
Vcomp: 보정전압, Ve: 제2트랜지스터(420) 에미터단 전압, Vr: 저항부(340) 전압, R1: 제1저항(440), R2: 제2저항(450)
여기서의 제2트랜지스터(420) 에미터단 전압은 제1트랜지스터(410)와 제2트랜지스터(420)의 관계를 고려했을 때 제1트랜지스터(410)의 베이스단으로 인가되는 다이오드 양단전압에서 제1트랜지스터(410)의 베이스-에미터간 전압을 더한값에 제2트랜지스터(420)의 베이스-에미터간 전압을 뺀 값이 될 것이다. 그런데 제1트랜지서트 베이스-에미터간 전압은 제2트랜지스터(420) 베이스-에미터간 전압과 그 크기가 유사할 것이므로 결론적으로 제2트랜지스터(420) 에미터단 전압은 다이오드 양단전압과 동일하다고 보아도 무방할 것이다. 다이오드 양단전압은 앞서 언급하였듯이 스위치 모듈(100)의 온도를 도출하는 판단 기준인데, 결국 상기 수식을 이용할 경우 다이오드 양단전압을 이용하여 보정전압을 산출하게 되므로 스위치 모듈(100) 온도 변화에 따라 보정전압을 상이하게 적용할 수 있게 되는 것이다.
과전류기준보정부(400)의 이러한 과전류 검출기준이 보정되었다면 과전류제어부(360)는 도출한 보정전압을 기설정된 문턱전압과 비교하여 보정전압이 기설정된 문턱전압보다 큰 경우 스위치 모듈(100)에 과전류가 발생하였다고 판단하고, 보정전압이 기설정된 문턱전압보다 낮은 경우에는 과전류가 발생하지 않았다고 판단하게 될 것이다.
본 발명의 실시로 인한 온도에 따른 과전류 검출기준의 변화는 도2의 그래프를 통하여 손쉽게 살펴볼 수 있다. 원칙적으로는 온도가 변화하더라도 과전류 검출기준이 변동해서는 안되는바 목표 레벨은 온도와 관계없이 과전류 검출기준 레벨이 동일함을 확인할 수 있다. 반면 본 발명과 같은 보정기법을 적용하기 이전에는 온도에 따라 과전류 검출기준의 변동이 큼을 확인할 수 있다. 구체적으로 온도가 -40℃인 경우에는 과전류 검출기준이 24%의 편차를 발생시키고 125℃인 경우에는 -23%의 편차를 발생시켜 스위치 모듈(100) 온도에 따라 과전류 검출기준의 변화가 크므로 스위치 모듈(100)이 상온상태가 아닐 경우 과전류 검출에 실패하는 경우가 발생하거나 과전류가 아닌데도 과전류라고 잘못 판단하는 경우가 발생할 가능성이 높다.
그러나 본 발명에서 제시하고 있는 과전류 검출기준 보정방법을 사용하였을 때는 -40℃ 에서는 12% 정도의 편차를 발생시키고 125℃의 경우에는 -10% 정도의 편차를 발생시키므로 보정이전에 비하여 온도에 따른 과전류 검출기준의 변화가 현저히 감소됨을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따를 경우 과전류 검출기준의 레벨을 이전보다 감소시킬 수 있게 되는바 스위치 모듈(100)의 게이트 저항을 축소 설계하는 것이 가능해지며 이는 결국 스위치 모듈(100)의 스위칭 손실을 감소시켜 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 될 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 스위치 모듈 200: 온도도출부
300: 과전류검출부 400: 과전류기준보정부
410: 제1트랜지스터 420: 제2트랜지스터
430: 보정제어부 440: 제1저항
450: 제2저항

Claims (9)

  1. 복수개의 IGBT 스위치가 마련된 스위치 모듈;
    스위치 모듈 내에 마련되어 스위치 모듈의 온도를 도출하는 온도도출부;
    스위치 모듈과 연결되어 스위치 모듈에 과전류가 발생하였는지 여부를 판단하는 과전류검출부; 및
    일측은 온도도출부에 연결되고 타측은 과전류검출부에 연결되어 스위치 모듈 온도에 따라 과전류검출부의 과전류 검출기준을 보정하는 과전류기준보정부;를 포함하고,
    온도도출부는,
    정전류원;
    정전류원과 연결된 복수개의 다이오드; 및
    다이오드의 양단전압을 이용하여 스위치 모듈의 온도를 도출하는 온도제어부;를 포함하며,
    온도제어부는,
    다이오드 양단전압을 입력으로 하고 스위치 모듈 온도를 출력으로 하는 맵데이터를 이용하여 스위치 모듈 온도를 도출하는 것을 특징으로 하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    과전류검출부는,
    스위치 모듈과 연결되어 스위치 모듈의 에미터 전류를 스케일링하는 스케일부;
    스케일부와 연결되어 스케일링된 에미터 전류가 흐를 수 있도록 마련된 저항부; 및
    저항부에서 발생하는 저항부 전압을 과전류 검출기준으로 하여 스위치 모듈에 과전류가 발생하였는지 여부를 판단하는 과전류제어부;를 포함하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    과전류제어부는,
    저항부 전압을 기설정된 문턱전압과 비교하여 저항부 전압이 기설정된 문턱전압보다 큰 경우 스위치 모듈에 과전류가 발생하였다고 판단하고, 저항부 전압이 기설정된 문턱전압보다 낮은 경우에는 과전류가 발생하지 않았다고 판단하는 것을 특징으로 하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    과전류기준보정부는,
    다이오드 양단전압을 베이스전압으로 하고 에미터단에 제1저항이 연결되어 있는 제1트랜지스터;
    제1트랜지스터의 에미터단 전압을 베이스전압으로 하고 에미터단에 제2저항이 연결되어 있는 제2트랜지스터; 및
    제2트랜지스터 에미터단 전압을 이용하여 과전류 검출기준을 보정하는 보정제어부;를 포함하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    보정제어부는,
    제2트랜지스터 에미터단 전압을 과전류검출부의 저항부 전압에 적용하여 보정전압을 도출해 과전류검출부의 과전류 검출기준을 보정하는 것을 특징으로 하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    보정전압은 하기의 수식을 이용하여 도출되는 것을 특징으로 하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템.
    Vcomp = R2*Ve/(R1+R2)+R1*Vr/(R1+R2)
    Vcomp: 보정전압, Ve: 제2트랜지스터 에미터단 전압, Vr: 저항부 전압, R1: 제1저항, R2: 제2저항
  9. 청구항 7에 있어서,
    과전류제어부는,
    도출한 보정전압을 기설정된 문턱전압과 비교하여 보정전압이 기설정된 문턱전압보다 큰 경우 스위치 모듈에 과전류가 발생하였다고 판단하고, 보정전압이 기설정된 문턱전압보다 낮은 경우에는 과전류가 발생하지 않았다고 판단하는 것을 특징으로 하는 스위치 모듈의 과전류 검출 시스템.
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